Программные продукты и системы

Увеличение объемов проектирования и разработки программного продукта, повышенные требования к его надежности и достоверности требуют все больше средств и усилий для верификации программ на всех этапах жизненного цикла. Снижение трудоемкости данной процедуры невозможно без автоматизации методов анализа и принятия решения о соответствии разработанного программного продукта спецификации проекта. Работы в этом направлении ведутся во всем мире с использованием различных методов и средств [1–3]. В частности, в работе [4] рассматривается автоматизация вери- фикации С-программ с использованием симво- лического метода элиминации инвариантов цикла. Авторами предложен новый подход к верификации вычислительных процессов на основе графоаналитических моделей (ГАМ) вычислительного процесса. В работе [5] отмечается, что ГАМ является концентрированным описанием проектируемого программного продукта, формализацией и алгоритмизацией технического задания (спецификации проекта). Разработанный язык описания ГАМ [6, 7] и транслятор позволяют проводить анализ вычислительного процесса по машинному пред- ставлению ГАМ вне зависимости от языковой платформы его реализации. Предложенный ранее метод формальной верификации вычислительного процесса на базе ГАМ [5] лег в основу разработанных алгоритмов и утилиты автоматизированной формальной верификации программ.

Автоматизация формальной верификации программ

Основные этапы верификации заключаются в восстановлении описания ГАМ по коду разработанной программы, сравнении его с эталонным описанием ГАМ, коррекции при необходимости исходного кода программы, после чего этапы повторяются до принятия решения об успешной верификации. Все возрастающий объем разрабатываемого программного продукта и повышение требований к ускорению цикла проектирования с обязательной верификацией проекта на каждом этапе невозможны без автоматизации принятия решения о верификации программного продукта.

Целью работы являются исследование и разработка методов и средств, позволяющих решить данную проблему на формальном уровне с минимальной зависимостью от язы- ковых средств реализации проекта. Предложенный подход при исследовании доступной научной литературы не обнаружен, что свидетельствует об оригинальности разработанных метода и средства. Основные положения и реализация предлагаемого метода продемонстрированы на примере. Конвертация программы на языке С/С# с использованием синтаксического анализатора Roslyn [8, 9], имеющего открытый код, была описана в [7]. Утилита расширена возможностями восстановления описания ГАМ для программ на языке Java и блоком автоматизированного анализа и формальной верификации. Для проверки работоспособности созданного средства была разработана ГАМ сортировки слиянием. Выполнено опи- сание ГАМ на входном языке, разработана программа на языке С, с помощью утилиты восстановлено языковое описание ГАМ, в интерактивном режиме выполнена автоматизированная верификация программы с соответствующей коррекцией специально внесенной ошибки.

Составленное описание ГАМ:

-- mergeSort(int array[]) :

LV1 (-100;2) { int n = array.length; }

CV2 (1;3:-1000) { n > 1 }

LV3 (2;4) { int middle = n / 2; int leftLength = mid- dle; int rightLength = n - leftLength; int left[] = new int[leftLength]; int right[] = new int[rightLength]; int index = 0; }

UV4 (3,6;5)

CV5 (4;6:7) { index < middle }

LV6 (5;4) { left[index] = array[index]; index++; }

LV7 (5;8) { int rightIndex = 0; }

UV8 (7,10;9)

CV9 (8;10:11) { index < n }

LV10 (9;8) { right[rightIndex] = array[index]; rightIndex++; index++; }

LVF11 (9;12) { mergeSort(left); }

LVF12 (11;13) { mergeSort(right); }

LVF13 (12; -1000) { merge(array, left, right); }

-- merge(int array[], int right[], int left[]) :

LV1 (-100;2) { int leftIndex = 0; int rightIndex = 0; int resultIndex = 0; }

UV2 (1,6,9;3)

CV3 (2;4:-1000) { resultIndex < array.length }

CV4 (3;5:7) { leftIndex >= left.length }

UV5 (4,10;6)

LV6 (5;2) { array[resultIndex] = right[rightIndex]; rightIndex++; resultIndex++; }

CV7 (4;8:10) { rightIndex >= right.length }

UV8 (7,10;9)

LV9 (8;2) { array[resultIndex] = left[leftIndex]; leftIndex++; resultIndex++; }

CV10 (7;8:5) { left[leftIndex] < right[rightIndex] }

Написанная программа:

public static void mergeSort(int[] array) {

int n = array.length;

if (n > 1) {

int middle = n / 2;

int leftLength = middle;

int rightLength = n - leftLength;

int left[] = new int[leftLength];

int right[] = new int[rightLength];

int index = 0;

while (index < middle) {

left[index] = array[index];

index++;

}

int rightIndex = 0;

while (index < n) {

right[rightIndex] = array[index];

rightIndex++;

index++;

}

mergeSort(left);

mergeSort(right);

merge(array, left, right);

}

}

public static void merge(int[] array, int[] left, int[] right) {

int leftIndex = 0;

int rightIndex = 0;

int resultIndex = 0;

while (resultIndex < array.length) {

if (leftIndex >= left.length) {

array[resultIndex] = right[rightIndex];

rightIndex++;

resultIndex++;

} else {

if (rightIndex >= right.length) {

array[resultIndex] = left[leftIndex];

leftIndex++;

resultIndex++;

} else {

 if (left[leftIndex] > right[rightIndex]) {

      array[resultIndex] = right[rightIndex];

rightIndex++;

resultIndex++;

} else {

array[resultIndex] = left[leftIndex];

leftIndex++;

resultIndex++;

}

}

}

}

}

Спроектированная утилита с использо- ванием синтаксического анализатора сканирует исходный код программы и генерирует языковое описание ГАМ на разработанном языке [6, 7].

Скриншот работы утилиты по восстановлению описания приведен на рисунке (см. http:// www.swsys.ru/uploaded/image/2019-3/2019-3-dop/6.jpg). 

Восстановленное описание:

-- mergeSort(int array[]) :

LV1 (-100;2) { int n = array.length; }

CV2 (1;3:-1000) { n > 1 }

LV3 (2;4) { int middle = n / 2; int leftLength = middle; int rightLength = n - leftLength; int left[] = new int[leftLength]; int right[] = new int[rightLength]; int index = 0; }

UV4 (3,6;5)

CV5 (4;6:7) { index < middle }

LV6 (5;4) { left[index] = array[index]; index++; }

LV7 (5;8) { int rightIndex = 0; }

UV8 (7,10;9)

CV9 (8;10:11) { index < n }

LV10 (9;8) { right[rightIndex] = array[index]; rightIndex++; index++; }

LVF11 (9;12) { mergeSort(left); }

LVF12 (11;13) { mergeSort(right); }

LVF13 (12; -1000) { merge(array, left, right); }

-- merge(int array[], int right[], int left[]) :

LV1 (-100;2) { int leftIndex = 0; int rightIndex = 0; int resultIndex = 0; }

UV2 (1,6,9;3)

CV3 (2;4:-1000) { resultIndex < array.length }

CV4 (3;5:7) { leftIndex >= left.length }

UV5 (4,10;6)

LV6 (5;2) { array[resultIndex] = right[rightIndex]; rightIndex++; resultIndex++; }

CV7 (4;8:10) { rightIndex >= right.length }

UV8 (7,10;9)

LV9 (8;2) { array[resultIndex] = left[leftIndex]; leftIndex++; resultIndex++; }

CV10 (7;5:8) { left[leftIndex] > right[rightIndex] }

Утилита сравнения двух описаний анализирует и проверяет их эквивалентность, выводя на экран и в файл информацию о результатах совпадения или несовпадения с указанием номеров неэквивалентных вершин и их содержимого. 

Полученное и эталонное описания первого метода совпадают, для второго информация о несовпадении представлена на скриншоте (см. http://www.swsys.ru/uploaded/image/2019-3/ 2019-3-dop/7.jpg).

После корректировки программы и восстановления описания повторное сравнение приводит к положительному результату, что позволяет сделать вывод о формальной верификации проекта.

Результат сравнения второго анализируемого метода представлен на скриншоте (см. http://www.swsys.ru/uploaded/image/2019-3/ 2019-3-dop/8.jpg).

Результаты исследования

В ходе исследования была разработана утилита автоматизированной верификации программ на языках С/C# и Java на основании группы описаний ГАМ. В основе утилиты лежат восстановление описания ГАМ по коду разработанной программы и автоматизированная формальная верификация с возможностью корректировки программы в интерактивном режиме. Созданная утилита позволяет автоматически выявлять несовпадение восстановленного по коду программы описания на предложенном языке с эталонным описанием ГАМ вычислительного процесса, «мертвый код», закладки и недекларированные возможности. Разработанная утилита вошла в состав проектируемой учебно-исследовательской САПР верификации вычислительных процессов.

Необходимо помнить, что без надежного оборудования формально и функционально ве- рифицированные программы не всегда могут работать достоверно [10].

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 17-07-00700.

Литература

1.    Heitmeyer C., Archer M., Bharadwaj R., Jeffords R. Tools for constructing requirements specifications: The SCR toolset at the age of ten. Comput Syst Sci Eng, 2005, vol. 20, pp. 19–35.

2.    Ball T., Bounimova E., Cook B., Levin V., Lichtenberg J., McGarvey C., Ondrusek B., Rajamani S.K., Ustuner A. Thorough static analysis of device drivers. Proc. EuroSys Conf., ACM SIGOPS, Belgium, 2006, vol. 40, pp. 73–85. DOI: 10.1145/1217935.1217943.

3.    Berard B., Bidoit M., Finkel A., Laroussinie F., Petit A., Petrucci L., Schnoebelen P. Systems and software verification: model-checking techniques and tools. Springer Science & Business Media, 2013. DOI: 10.1007/978-3-662-04558-9.

4.    Кондратьев Д.А., Марьясов И.В., Непомнящий В.А. Автоматизация верификации C-программ с использованием символического метода элиминации инвариантов циклов // Моделирование и анализ информационных систем. 2018. Т. 25. № 5. С. 491–505. DOI: 10.18255/1818-1015-2018-5-491-505.

5.    Зыков А.Г., Кочетков И.В., Поляков В.И., Чистиков Е.Г. Синтезирование программ на основе описания графоаналитической модели // Программные продукты и системы. 2017. Т 30. № 4. С. 561–566. DOI: 10.15827/0236-235X.120.561-566.

6.    Зыков А.Г., Кочетков И.В., Поляков В.И., Чистиков Е.Г. Методы анализа вычислительного процесса по графоаналитической модели // Конгр. IS&IT: сб. тр. 2017. Т. 2. С. 121–129.

7.    Зыков А.Г., Кочетков И.В., Чистиков Е.Г., Швед В.Г. Автоматизация генерации описания графо-аналитической модели программы // Защита информации. Инсайд. 2017. № 4. С. 60–65.

8.    The .NET Compiler Platform ("Roslyn"). URL: https://github.com/dotnet/roslyn (дата обращения: 29.01.18).

9.    Turner A. C# and visual basic – use roslyn to write a live code analyzer for your api. URL: https://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/dn879356.aspx (дата обращения: 29.01.19).

10. Kolomoitcev V.S., Bogatyrev V.A., Polyakov V.I. Efficiency of intellectual system of secure access in a phased application of means of protection considering the intersection of the sets of threat detection. Proc. Open Semantic Technologies for Intelligent Systems. Minsk, BSUIR Publ., 2019, рр. 315–320.

References

1. Heitmeyer C., Archer M., Bharadwaj R., Jeffords R. Tools for constructing requirements specifications: The SCR toolset at the age of ten. J. of Computer Systems Science and Engineering. 2005, no. 20, pp. 19–35.
2. Ball T., Bounimova E., Cook B., Levin V., Lichtenberg J., McGarvey C., Ondrusek B., Rajamani S.K., Ustuner A. Thorough static analysis of device drivers. Proc. of EuroSys 2006. ACM SIGOPS Operating Systems Review, no. 40, pp. 73–85, 2006. DOI: 10.1145/1217935.1217943.
3. Bérard B., Bidoit M., Finkel A., Laroussinie F., Petit A., Petrucci L., Schnoebelen P. Systems and Software Verification: Model-Checking Techniques and Tools. Springer Science & Business Media, 2013. DOI: 10.1007/978-3-662-04558-9.
4. Kondratyev D.A., Maryasov I.V., Nepomnyashchy V.A. Automation of verification of C-programs using the symbolic method of eliminating cycle invariants. Modeling and Analysis of Information Systems. 2018, vol. 25, no. 5, pp. 491–505. DOI: 10.18255/1818-1015-2018-5-491-505 (in Russ.).
5. Zykov A.G., Kochetkov I.V., Polyakov V.I., Chistikov E.G. Synthesizing programs based on the description of the graph-analytical model. Software & Systems. 2017, vol. 30, no. 4, pp. 561–566. DOI: 10.15827/0236-235X.120.561-566 (in Russ.).
6. Zykov A.G., Kochetkov I.V., Polyakov V.I., Chistikov E.G. Methods of analysis of the computational process on the graph analytical model. Proc. Congress on Intelligent Systems and Information Technology “IS & IT” 17. 2017, vol. 2, pp. 121–129 (in Russ.).
7. Zykov A.G., Kochetkov I.V., Chistikov E.G., Shved V.G. Automation of the generation of the description of the graph-analytical model of the program. Information Security. Inside. 2017, no. 4, pp. 60–65 (in Russ.).
8. The .NET Compiler Platform (“Roslyn”). Available at: https://github.com/dotnet/roslyn (accessed January 29, 2018).
9. Turner A. C# and Visual Basic for Your Api. Available at: https://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/dn879356.aspx (accessed January 29, 2019).
10. Kolomoitcev V.S., Bogatyrev V.A., Polyakov V.I. Efficiency of intellectual system of secure access in a phased application of means of protection considering the intersection of the sets of threat detection. Proc. Open Semantic Technologies for Intelligent Systems. Minsk, BSUIR Publ., 2019, рр. 315–320.